从等离子到激光：万瓦激光如何颠覆金属加工工艺？

近期，碳钢快速切割工艺成了激光行业的热门话题，新工艺带来的效率提升也进一步证明了超高功率激光并非仅是噱头。同时，随着激光功率不断提升、加工工艺不断改进，越来越多的重工领域都开始尝试使用激光切割代替等离子切割。为进一步探究激光功率提升、工艺改进对金属加工行业的影响，OFweek激光网联合创鑫激光应用中心对各种激光工艺的切割效果进行了测试。<\/p>

工艺升级1.0：从等离子到激光<\/p>

在激光应用普及之前，碳钢中厚板通常用火焰切割、等离子切割、高压水切割等传统工艺，其中以等离子切割为代表。等离子切割是利用高温等离子电弧的热量使工件切口处的金属局部熔化，并借高速等离子的动量排除熔融金属以形成切口的一种加工方法。等离子切割配合不同的工作气体几乎可以切割各种类型的金属，通过调节切割电流也可切割超厚板材。<\/p>

对等离子切割而言，等离子电源的切割电流其最重要的切割工艺参数，直接决定了切割的厚度和速度：电流越大，等离子电弧能量增加，切割能力越强，切割速度也随之提高。但是，切割电流增大也会使等离子电弧直径增加，电弧变粗，使得割缝变宽；同时，切割电流过大也会使喷嘴热负荷增大，喷嘴损伤后切割质量也随之下降。<\/p>

在加工中薄板时，等离子切割具有速度快、端面光滑等优点，但材料越厚，等离子切割端面越粗糙，垂直度也越差。此外由于等离子电弧直径较宽，使得等离子切割无法切割精密小孔。随着激光的兴起，为应对激光切割的冲击，等离子切割行业开发出精细等离子切割设备，通过极大地缩小喷嘴孔尺寸而产生极度压缩弧，大幅提高电流密度，获得更高的切割精度和更好的光洁度，但依然无法达到激光切割的效果。<\/p>

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图片来源：奔腾激光及创鑫激光应用中心<\/p>

激光切割凭借更高速、更高精度、更环保而逐步赢得市场认可。早期激光功率较低时，激光切割仅在薄板加工上有优势，无法加工中厚板。近年来激光功率不断走高，从6kW，到8kW，12kW，15kW，20kW，再到30kW，功率不断提升，工艺不断改进，激光切割的瓶颈也不断被打破。<\/p>

工艺升级2.0：激光切割的工艺迭代<\/p>

截至目前，碳钢切割随着激光功率的提升已锤炼出四种常用工艺，分别是磨砂面切割工艺、亮面切割工艺、空气／氮气切割工艺、以及最新的氧气快速切割工艺。OFweek激光网联合创鑫激光应用中心，使用创鑫激光20kW激光器切割20mm碳钢材料，对各种激光工艺的切割效果进行了测试。<\/p>

早期的磨砂面切割工艺采用大喷嘴氧气切割，使用功率较低，切割速度较慢，工件锥度也较大。测试中，创鑫激光器输出2.1kW功率，切割速度为0.65m\/min，样品单边锥度为0.5mm。<\/p>

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20mm碳钢磨砂面切割<\/p>

亮面切割工艺使用了更小的喷嘴，提升了切割速度，同时也提升了端面光洁度，降低了工件锥度。测试中，创鑫激光器输出20kW功率，切割速度为1.7m\/min，样品单边锥度为0.1mm。目前，对质量要求高的工件仍需使用亮面切割工艺。<\/p>

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20mm碳钢亮面切割<\/p>

空气\/氮气切割工艺亮点在于速度大幅提升，将碳钢切割的速度提升到不锈钢切割的水准，同时空气切割成本更低，只需负担空压机电费及空气净化系统的费用。但空气切割端面较为粗糙，且底部有难以去除的熔渣，还需要另外使用打磨工具。测试中，创鑫激光器输出20kW功率，切割速度为3m\/min，样品单边锥度为0.15mm。<\/p>

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20mm碳钢空气切割<\/p>

最新的氧气快速切割工艺已在市场上得到应用，并凭借速度快（超过空气切割13％，超过亮面切割100％）、无毛刺而受到市场欢迎。尽管这种工艺切割的端面虽不及亮面切割工艺，但优于空气／氮气切割工艺。测试中，创鑫激光器输出20kW功率，切割速度为3.4m\/min，样品单边锥度为0.15mm。<\/p>

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20mm碳钢快速切割<\/p>

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除以上切割测试外，创鑫激光工程师还用最新工艺切割了30mm碳钢。经测试，使用氧气快速切割工艺切割30mm碳钢速度可达2m\/min，单边锥度为0.2mm。<\/p>

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30mm碳钢快速切割<\/p>

技术整合：万瓦一机多用 优化工艺流程<\/p>

早期的低功率激光切割多用于落料加工，随着激光功率不断提高、新工艺不断改进，进一步释放了设备商的技术整合空间，万瓦时代的激光切割已开始往一机多用的方向发展。例如，在加工下图齿轮时，20kW激光切割机凭借能够一次性切尖角、端面光滑的优势，可取代300A等离子切割机、去毛刺机、铣床，满足航空航天、电力设备、石油设备、汽车制造等行业的高精度要求，并将加工时长从27min5s减少至58s（12kW激光切割机加工时长为1min30s）。<\/p>

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图片来源：创鑫激光<\/p>

此外，系统集成商在万瓦激光器的基础上，增加坡口切割功能，能够实现一台机器取代等离子切割、钻床、铣床、去毛刺机等多台机器。目前，奔腾激光、华工激光、大族激光等均已将高功率坡口激光切割机推向市场。<\/p>

奔腾激光在今年9月的上海工博会上展示了坡口切割机一机多用的效果。一块直径2m、厚度18mm的碳钢圆盘，上有560个大小不一的圆孔，包含平面切割、45度V型和Y型坡口切割工艺。如以传统工艺来生产，需要钻床钻小孔、铣床铣大孔、去毛刺、倒角等多个工序，经过多次转场及重新定位，4个人耗费2天时间才能完成。而奔腾激光15kW带坡口的激光切割机，只用1个工人在1台机床上就能完成所有的工序，全程耗时3.5小时，大大提高了效率，节约了时间、场地、人力等。<\/p>

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奔腾激光工博会展示坡口切割2m大圆盘<\/p>

万瓦激光受市场追捧 功率或将继续提高？<\/p>

通过与创鑫激光共同进行的工艺测试及市场应用情况，我们可以看到功率提升对工艺升级的促进作用：一方面能够提升本身切割材料的能力、效率及质量，另一方面还能够取代传统工艺、传统设备，解放人力，节省时间。<\/p>

万瓦激光的应用及推广为金属加工带来更多可能性，万瓦激光也因此受到市场追捧。从上海工博会情况来看，万瓦激光器已成为常规武器，各厂家均展示了万瓦产品。从市场选择来看，万瓦激光器也从被质疑发展到出货量过千，并朝着更高功率发展。<\/p>

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上海工博会激光器厂家万瓦齐发<\/p>

目前，在20kW的终端用户装机量上IPG和创鑫激光处于领先位置，而创鑫激光更是在不久前率先实现了30kW产品的交付。未来光纤激光器功率是否会继续提高？有人认为，现在的功率已经足够满足市场的需求，同时配套跟不上，追求更高功率是空中楼阁。但创鑫激光市场与品牌负责人曾剑锋则坚定认为：“创鑫激光作为国产万瓦激光器的开拓者，不断对自己提出更苛刻的要求，同时不断输出行业标准和方案。未来，创鑫激光将继续拓宽国产超高功率工业激光器道路，将在万瓦甚至更高功率钻研各细分行业的切割解决方案，助推国内泛工业领域及产业升级发展！”<\/p>

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